Abstract High energy prices and new environmental policies have made geothermal energy increasingly popular. The EU, including Finland, aims to increase the use of renewable energy resources and reduce carbon emissions. Geothermal energy pile foundations, so-called energy piles, are considered a viable alternative technology for producing energy instead of traditional methods. Geothermal heat pump systems are economically efficient and renewable environmentally friendly energy production systems in which the ground acts as a heat source in winter and as a heat sink in summer. Energy piles are economical systems, as they act as dual-purpose structures in energy production and load transfer from buildings to the ground, avoiding extra expenses in ground boring solely for energy production. However, use of ground heat exchangers (GHE) for energy production in energy piles can result in temperature variations in the pile shaft and surrounding soil, in turn affecting the thermo-mechanical behaviour of pile shaft and soil in both structural and geotechnical terms. Despite large numbers of energy piles being installed, there is still a lack of reliable information and experience about the thermo-mechanical behaviour of these structures and their energy efficiency in cold climates. This thesis investigated the efficiency performance of energy pile foundations and their productivity in cold climates by considering different groundwater flow effects and short-term imbalanced seasonal thermal loadings. The structural and geotechnical bearing capacity of different types of energy piles fitted with GHEs were also evaluated, using numerical models, and the possibility of collapse due to use of thermal systems was examined. Use of the model to compare the performance of different GHEs in terms of their efficiency revealed that at a particular fluid flow rate, double U-tube systems had greater productivity than other systems tested. The results also indicated that using energy piles under medium groundwater flow can improve the productivity of systems by around 20% compared with saturated conditions with no groundwater flow. It was also concluded that in a design context, the structural bearing capacity of piles needs to be reduced due to the additional thermal stresses induced by heating/cooling pile operations. / Tiivistelmä Kasvaneet energiakustannukset ja kiristyneet ympäristösäädökset ovat lisänneet geotermisten energiaratkaisujen suosiota. EU, mukaan lukien Suomi, on asettanut tavoitteekseen lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä ja vähentää hiilidioksidipäästöjä. Geotermistä energiaa hyödyntävä paaluperustukset, niin kutsutut energiapaalut, tarjoavat uudenlaisen teknologian vähäpäästöisen energian tuottamiseen. Geotermiset lämpöpumppujärjestelmät, maalämpöpumput, ovat taloudellisia ja ympäristöystävällisiä energiantuotantomenetelmiä, jotka talviaikaan siirtävät maaperään varastoitunutta energiaa rakennuksen lämmittämiseen ja vastaavasti jäähdyttävät rakennusta kesällä siirtämällä lämpöä maaperään. Energiapaalujen taloudellisuus syntyy siitä, että ne pystyvät palvelemaan rakennusta kahdessa roolissa. Ne ovat osa rakennuksen energiajärjestelmää ja toimivat samalla myös kantavana rakenteena, joka siirtää rakennuksen kuormia perustuksilta maaperään. Lämpöpumppujärjestelmän kytkeminen paaluihin voi johtaa lämpötilan vaihteluun paaluissa sekä niitä ympäröivässä maaperässä, mikä puolestaan vaikuttaa paalujen ja maaperän lämpömekaanisiin, rakenteellisiin sekä geoteknisiin ominaisuuksiin. Vaikka energiapaaluja on asennettu jo paljon, ei paalujen lämpömekaanisesta käyttäytymisestä tai energiatehokkuudesta kylmien ilmastojen alueilla ole vielä paljoa tutkittua tietoa. Tässä väitöstutkimuksessa selvitettiin numeerisesti energiapaalujen rakennuspaikan pohjaolosuhteista riippuvaa tuottopotentiaalia Skandinaavisissa olosuhteissa ja ilmastossa. Tarkastelut kohdistuivat erityisesti pohjavesivirtauksen sekä vuodenaikojen ja ilman lämpötilan vaihtelun vaikutuksiin. Tutkimuksessa arvioitiin myös paalujen lämpötilan vaihtelujen vaikutuksia paalujen geoteknisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksia sekä kestävyyteen. Numeeristen simulaatiotulosten perusteella betonipaaluun asennetun U-putkirakenteen avulla saavutetaan paras tuottopotentiaali. Tulokset osoittivat, että kohtalainen pohjaveden virtaus parantaa systeemin tuottoa noin 20 % verrattuna tilanteeseen, jossa vedellä kyllästetyssä maassa ei tapahdu pohjaveden virtausta. Analyysitulokset osoittavat myös, että paalujen lämpötilavaihteluista aiheutuvat lisäjännitykset vähentävät paalujen kantokykyä, mikä tulee ottaa huomioon paalujen mitoituksessa.

Abstract Sustainability is a catchword for contemporary concerns of environmental and societal vulnerability. Scholars, policymakers, designers, and educators alike find themselves knotted increasingly within fabrics of sustainability, approached as an object of concern in education and technoscientific projects. In relation, scholars drawing from posthuman and new materialist thinking have begun to re-imagine sustainability. Considering human subjectivity as part of the world in its ongoing, reiterative becoming has introduced new possibilities to rethink responsibility in and for sustainable change. This research is rooted in my engaged practices of participatory design and education on violence, violence prevention, and non-violence, which form the empirical research terrain of this study. This dissertation includes four articles that inquire into the practices in question by exploring possibilities for nurturing non-violence—and by scrutinising responsible participatory practices in design. This synopsis re-engages with the results presented in the articles mentioned and participates in calls to rethink sustainability. In order to reconsider sustainability in and for practices of sustainable change, I develop theoretical thinking based on response-ability and touch, as discussed by Karen Barad and Donna Haraway. Through a diffractive, affirmative engagement with sustainability in the engaged practices of change-making, I aim to unfold the affordances of feminist (new) materialist renegotiations of ethics and responsibility, in order to inform responsible participatory practices of change-making and, in particular, change towards non-violence. This research offers insight into the intricate ways sustainability reconfigures in and through practices of change-making in participatory design, education, and everyday engagements for non-violence. I begin by proposing a thinking and practice of response-able engagement. Then, through the idea of touchable matters, I foreground how the co-constituted conditions of ethically sustainable response become reconfigured in the designerly, the researcherly, the pedagogical, and other everyday practices, challenging for a shift to a new mode of entangled response-ability for sustainable change and towards non-violence. / Tiivistelmä Kestävyys on aikaamme läpileikkaava, sosiaalisiin ja ekologisiin epäkohtiin tarttuva haaste, joka yhdistää tutkijoita ja muita toimijoita moninaisina jaetun huolen ja interventioiden kohteina myös koulutuksellisissa ja teknotieteellisissä projekteissa. Posthumanistinen ja uusmaterialistinen ajattelu on haastanut ymmärryksiä kestävyydestä asettamalla inhimillisen toimijuuden erottamattomaksi osaksi maailman jatkuvia tulemisen ja tuottumisen prosesseja. Painopiste kestävyyden, muutoksen ja niihin liittyvien vastuullisuuksien tarkastelussa on siirtynyt arkisten käytänteiden moniulotteisiin kietoutuneisuuksiin. Väitöstutkimukseni sisältää neljä artikkelia, jotka perustuvat kahteen empiiriseen kokonaisuuteen. Työni aineisto on tuotettu tutkimalla työpaikkakiusaamiseen liittyvän osallistuvan suunnittelun vastuullisia käytänteitä sekä väkivaltaa, väkivallan ehkäisemistä ja väkivallattomuutta käsittelevää akateemista koulutusta. Väitöskirjaan sisältyvissä artikkeleissa olen tarkastellut pyrkimyksiä kohti väkivallattomuutta sekä muutokseen sitoutuneita ja siihen moninaisesti kietoutuvia käytänteitä. Työni yhteenveto-osassa työstän artikkeleissa esitettyjä osallistumista, refleksiivisyyttä, välittämistä ja väkivallattomuutta käsitteleviä tuloksia diffraktiivisesti. Työstämisen teoreettis-käsitteellisenä kumppanina toimivat Karen Baradin ja Donna Harawayn kosketusta ja vastuullisuutta käsittelevät keskustelut. Yhteenvedon tavoitteena on tarkastella feministisen (uus)materialistisen ajattelun mahdollisuuksia tuottaa uutta ymmärrystä kestävyydestä osana vastuullisia osallistuvia toimintatapoja muutoksen – ja erityisesti väkivallattomuuteen pyrkivän muutoksen – jokapäiväisissä käytänteissä. Kestävän muutoksen ja väkivallattomuuden mahdollisuudet tuottuvat osallistuvan suunnittelun, koulutuksen ja arjen käytänteissä moninaisin tavoin. Vastuullisuutta tarkastellessani esitän ajatuksen ”koskettavista kudelmista”, mikä kutsuu tunnistamaan, kuinka eettisen kestävyyden ja suhteisuuden mahdollisuudet ”kanssatuottuvat” arkisissa kohtaamisissa. Samalla se haastaa rakentamaan uudenlaista, tähän eettis-ontologiseen kietoutuneisuuteen sitoutunutta vastuullisuutta jokapäiväisissä suunnittelun, tutkimuksen, koulutuksen ja arjen pyrkimyksissä kohti kestävää muutosta ja väkivallattomuutta.

Abstract During the last few decades, digital watermarking techniques have gained a lot of interest. Such techniques enable hiding imperceptible information to images; information which can be extracted later from those images. As a result, digital watermarking techniques have many interesting applications for example in Internet distribution. Contents such as images are today manipulated mainly in digital form; thus, traditionally, the focus of watermarking research has been the digital domain. However, a vast amount of images will still appear in some physical format such as in books, posters or labels, and there are a number of possible applications of hidden information also in image printouts. In this case, an additional level of challenge is introduced, as the watermarking technique should be robust to extraction from printed output. In this thesis, methods are developed, where a watermarked image appears in a printout and the invisible information can be later extracted using a scanner or mobile phone camera and watermark extraction software. In these cases, the watermarking method has to be carefully designed because both the printing and capturing process cause distortions that make watermark extraction challenging. The focus of the study is on developing blind, multibit watermarking techniques, where the robustness of the algorithms is tested in an office environment, using standard office equipment. The possible effect of the background of the printed images, as well as compound attacks, are both paid particular attention to, since these are considered important in practical applications. The main objective is thus to provide technical means to achieve high robustness and to develop watermarking methods robust to printing and scanning process. A secondary objective is to develop methods where the extraction is possible with the aid of a mobile phone camera. The main contributions of the thesis are: (1) Methods to increase watermark extraction robustness with perceptual weighting; (2) Methods to robustly synchronize the extraction of a multibit message from a printout; (3) A method to encode a multibit message, utilizing directed periodic patterns and a method to decode the message after attacks; (4) A demonstrator of an interactive poster application and a key based robust and secure identification method from a printout. / Tiivistelmä Digitaalinen vesileimaus on parin viime vuosikymmenen aikana runsaasti huomiota saanut tekniikka, jonka avulla kuviin voidaan piilottaa aistein havaitsematonta tietoa. Tämä tieto voidaan myöhemmin poimia esiin, minkä vuoksi sovelluskohteita esimerkiksi Internetin kautta tapahtuvassa jakelussa on useita. Perinteisesti vesileimaustekniikat keskittyvät pelkästään digitaalisessa muodossa pysyvään tietoon. Kuitenkin iso osa kuvainformaatiosta saa yhä vielä myös fyysisen muodon esimerkiksi kirjoissa, julisteissa ja etiketeissä. Myös vesileimauksella on useita sovelluskohteita painettujen kuvienkin osalta. Vesileimausta ajatellen painatus tuo kumminkin omat erityishaasteensa vesileimaustekniikoille. Tässä väitöskirjassa kehitetään menetelmiä, jotka mahdollistavat piilotetun tiedon säilymisen painetussa kuvassa. Piilotettu tieto voidaan lukea käyttämällä skanneria tai matkapuhelimen kameraa tiedon digitalisointiin. Digitalisoinnin jälkeen vesileimausohjelma osaa lukea piilotetun tiedon. Vesileimauksen osalta haasteellisuus tulee vääristymistä, joita sekä kuvien tulostus sekä digitalisointi aiheuttavat. Väitöstyössä keskitytään monibittisiin vesileimaustekniikoihin, joissa alkuperäistä kuvaa ei tarvita vesileimaa poimittaessa. Väitöstyössä kehitetyt menetelmät on testattu toimistoympäristössä standardi toimistolaitteita käyttäen. Käytännön sovelluksia ajatellen, testeissä on kiinnitetty huomiota myös yhdistelmähyökkäysten sekä painetun kuvan taustan vaikutukseen algoritmin robustisuudelle. Ensisijainen tavoite on kehittää menetelmiä, jotka kestävät printtaus ja skannaus operaation. Toinen tavoite on tiedon kestävyys luettaessa tietoa matkapuhelimen kameran avulla. Väitöskirjassa tarkastellaan ja kehitellään ratkaisuja neljälle eri osa-alueelle: (1) Ihmisaisteja mallintavien menetelmien käyttö vesileimauksen kestävyyden lisäämiseksi; (2) Robusti synkronointi luettaessa monibittistä tietoa painotuotteesta; (3) Suunnattuja jaksollisia kuvioita käyttävä menetelmä, joka mahdollistaa monibittisen tiedon koodaamisen ja dekoodaamisen hyökkäysten jälkeen; (4) Sovellustasolla tarkastellaan kahta pääsovellusta: interaktiivinen juliste sekä kestävä ja turvattu avaimen avulla tapahtuva painotuotteen identifiointi.

Abstract There are many reasons for sharing a photo of a printout. The intention might be to copy the image for personal use or experience an interesting ad with friends. With watermarking, the images can also carry side information and with specialized watermarking methods the information can be read with a mobile device camera. In digital image watermarking, information is hidden on an image in such a way that a computer can read the hidden information but a human cannot discern it. The aim of this thesis is to research the process in which the watermarked image is printed and then read with a digital camera or a camera phone from the printed image. In order to survive the process, the watermark must survive multiple attacks. Some of the attacks occur during printing as the image is halftoned, others when the image is recaptured with a camera, in which case the camera might be rotated around multiple axis. These attacks may cause a loss of synchronization of the watermark and make the extraction impossible. The main objective of the thesis is thus to develop methods that are robust to the printing and capturing process, especially for the situations when the capturing angle is large. This problem contains the circumstances in which the synchronization is lost and the camera lens is not focused properly. In this work, research on digital image watermarking, computational photography and mobile phones are combined. The contributions of this thesis lie in two main parts: First, two print-cam robust methods are proposed, one based on a frame and the other on autocorrelation for synchronization. These two are then used as a basis for an algorithm that recovers the watermark even after camera rotation and image blurring caused by the narrow depth of focus of the lens. The algorithm is later refined and implemented for a mobile phone. The results show that the method is highly robust to capturing the watermark without errors in angles up to 60° with processing times acceptable for real-life applications. / Tiivistelmä On olemassa useita syitä tulosteesta otetun valokuvan jakamiseen. Aikomuksena voi olla kopioida kuva omaan käyttöön tai jakaa mielenkiintoinen ilmoitus ystävien kanssa. Vesileimauksessa kuvaan voidaan sijoittaa lisätietoa ja erityisillä menetelmillä tieto voidaan myöhemmin lukea mobiililaitteen kameralla. Digitaalisten kuvien vesileimauksen tavoite on piilottaa tietoa kuvaan siten, että tietokone pystyy lukemaan piilotetun informaation, siinä missä ihminen ei pysty sitä havaitsemaan. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia prosessia, missä vesileimattu kuva tulostetaan ja vesileima luetaan digitaalisella kameralla tai kamerapuhelimella tulosteesta. Selviytyäkseen tästä prosessista, vesileiman on kestettävä useita hyökkäyksiä. Osa hyökkäyksistä esiintyy tulostuksen aikana, kun kuva rasteroidaan, ja osa valokuvatessa, jolloin kamera voi olla kiertynyt. Näiden hyökkäysten seurauksena vesileiman synkronointi voi kadota, jolloin vesileiman lukeminen ei enää onnistu. Väitöskirjan päätavoitteena on siis kehittää tulostuksen ja valokuvauksen kestäviä vesileimausmenetelmiä erityisesti niitä tilanteita varten, jolloin kuvauskulma on suuri. Tämä ongelma sisältää olosuhteet, joissa synkronointi menetetään, ja kun kameran linssi ei ole kohdistunut oikein. Työssä yhdistetään digitaalinen kuvien vesileimaus, laskennallinen valokuvaus ja matkapuhelimet. Tutkimus voidaan jakaa kahteen osa-alueeseen: Ensimmäisessä kehitetään kaksi tulostuksen ja valokuvauksen kestävää menetelmää, joista toinen perustuu kehykseen ja toinen autokorrelaatioon synkronoinnin säilyttämiseksi. Toisessa osassa näitä menetelmiä hyödynnetään algoritmissa, joka kykenee vesileiman lukemiseen myös silloin kun kameran kiertyminen on voimakasta ja objektiivin kapea tarkennussyvyys aiheuttaa sumeita alueita kuvassa. Tutkimustyön lopussa tätä algoritmia viedään eteenpäin ja testataan matkapuhelinalustalla. Tulokset osoittavat menetelmän kestävän kameran kiertymistä 60°:seen saakka suoritusajoilla, jotka ovat hyväksyttäviä sovelluskäyttöön.

Abstract Achieving the objective of a decarbonised economy by 2050 will require massive efforts in the energy sector. Emissions from residential houses will have to be almost completely cut, by around 90% by 2050. Home automation is a potential tool for achieving this goal. However, the environmental and economic benefits of automation technologies first need to be assessed. This thesis evaluates the impact of home automation for electricity management in the residential sector using environmental and economic indicators. To this end, a life cycle assessment was performed to evaluate the impacts of the manufacturing, use and disposal phases. The influences of end-user behaviour, household size and multiple levels of technological deployment were also investigated. A Markov chain simulation tool, built on the MatLab platform, was developed to assess all possible combinations of impacting factors. Dynamic environmental indicators were developed based on the ReCiPe method for aggregating the impacts of processes. All these indicators were then combined to form a single index based on multi-criteria acceptability analysis. The results suggest that home automation can decrease peak load, but that overall electricity consumption may increase due to electricity use by the actual automation system. The effect of home automation was more noticeable in larger households than in one-person households. In addition, use of dynamic environmental indicators proved more relevant than fixed indicators to represent the environmental impact of home automation. Within the life cycle of automation technology, the manufacturing phase had the highest impact, but most of the CO2 emissions originated from the use phase. In conclusion, the most important environmental benefit of home automation is reducing CO2 emissions during peak time by load shifting. / Tiivistelmä Vähähiilisen talouden saavuttaminen vuoteen 2050 mennessä edellyttää valtavia ponnisteluja energia-alalla. Rakennuksista aiheutuvia päästöjä on vähennettävä radikaalisti, jopa 90 % vuoteen 2050 mennessä. Rakennusten energiatehokkuutta edistävä automaatiotekniikka on yksi keino tämän päämäärän saavuttamiseen. Kotiautomaation kautta voidaan sekä vähentää energian kokonaiskulutusta että tasoittaa energiankäyttöprofiilia. On kuitenkin tutkittava myös, mitkä ovat automaatiotekniikan ympäristö- ja taloudelliset vaikutukset. Tässä työssä käsitellään kotiautomaation vaikutusta sähkön kulutuksen hallintaan asuinrakennuksissa käyttämällä ympäristö- ja talousindikaattoreita. Tätä varten suoritettiin kotiautomaation elinkaariarviointi selvittämällä laitteiden valmistus-, käyttö- ja hävittämisvaiheiden ympäristövaikutukset. Työssä tarkasteltiin myös asukkaiden käyttäytymisen, kotitalouden koon ja eri teknologiavaihtoehtojen vaikutuksia ympäristö- ja talousvaikutuksiin. Arviointi suoritettiin Markovin ketjun simulointityökalulla, joka rakennettiin Matlab-alustalle. Dynaamisia ympäristömittareita kehitettiin ReCiPe-menetelmää käyttäen. Indikaattorit on edelleen yhdistetty yhdeksi indeksiksi käyttäen monikriteeriarviointia. Tulokset viittaavat siihen, että huippukuormitusta voidaan vähentää käyttämällä kotiautomaatiota, mutta sähkön kokonaiskulutus voi kasvaa automaatiojärjestelmän sähkönkulutuksen takia. Kotiautomaation vaikutukset ovat eniten havaittavissa suurissa kotitalouksissa. Lisäksi, dynaamiset indikaattorit edustavat paremmin kotiautomaation vaikutusta ympäristöön kuin staattiset indikaattorit. Automaatioteknologian elinkaaressa suurimmat ympäristövaikutukset ovat valmistusvaiheessa, mutta CO2-päästöjä syntyy eniten käyttövaiheessa. Lopuksi voidaan todeta, että kotiautomaation merkittävin ympäristöhyöty on CO2-päästöjen vähentäminen huippukulutuksen aikana siirtämällä kuormitusta toiseen ajankohtaan.